陳明陽，劉 霞，龍時丹

（1．北京郵電大學(xué) 信息與通信學(xué)院，北京 100876；2．國家鐵路局裝備技術(shù)中心, 北京 100070）

近年來開始使用無人機對鐵路線路、長大橋隧等基礎(chǔ)設(shè)施的一些維修人員難以進入的區(qū)域進行監(jiān)測，特別是在缺乏通信設(shè)施的地區(qū)，無人機可用作蜂窩網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的飛行移動終端，比如在川藏鐵路的山區(qū)、長大鐵路隧道等區(qū)域大顯身手。由于無人機輔助的通信全方位覆蓋，并且無人機可以作為輔助，為現(xiàn)存通信基礎(chǔ)設(shè)施提供無空隙服務(wù)，這種服務(wù)在即將到來的5G時代顯得彌足珍貴，進一步研究包括優(yōu)化無人機的飛行能力與路徑，結(jié)合無人機提供通信信道的特點，挖掘出無人機未來在鐵路通信領(lǐng)域的更大潛力尤為重要，因此，鐵路用無人機通信云計算卸載優(yōu)化方案的研究勢在必行。

對于傳統(tǒng)云計算的架構(gòu)，比如地面云計算網(wǎng)絡(luò)，無人機云計算結(jié)構(gòu)有更加顯著的優(yōu)勢。無人機可以在任意場景下提供云計算服務(wù)，比如沙漠、高原或者地理環(huán)境比較復(fù)雜多變的地方，而這些地方是不能建立地面云計算服務(wù)器的。無人機的計算能力更加優(yōu)越，并具有更短的時延，因為短距離的lineof-sight更容易得到保障。無人機的軌跡可以根據(jù)不同任務(wù)進行優(yōu)化，以便更好的提高計算性能，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的可塑性較弱?；谏鲜鰞?yōu)點，國際許多科研機構(gòu)已經(jīng)啟動無人機云計算相關(guān)項目的研究，并將其投入使用。

基于鐵路無人機云計算卸載優(yōu)化方案主要的關(guān)注點是配置一個移動無人機，并向鐵路移動設(shè)備提供計算卸載服務(wù)。本文解決一個關(guān)鍵問題，就是同時優(yōu)化在上行與下行信道與無人機本地計算的字節(jié)分配，以及無人機飛行的路徑，以達到最小化能耗的目標(biāo)。對于上行與下行傳輸，采用了正交與非正交頻分復(fù)用，這種技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)中大有可為，本文解決了正交傳輸，達到時延與能量限制條件下的優(yōu)化方案。

1 基于鐵路無人機通信云計算卸載優(yōu)化方案

無人機云計算卸載優(yōu)化方案研究包括：一是模型的建立，明確優(yōu)化變量。變量主要為無人機飛行路徑、無人機接收移動用戶數(shù)據(jù)（上行數(shù)據(jù)）、無人機本地云計算數(shù)據(jù)和無人機發(fā)送給移動用戶數(shù)據(jù)（下行數(shù)據(jù)）等；二是優(yōu)化無人機云計算路徑與比特分配。

1.1 建立無人機通信云計算能耗模型

本文考慮無人機云計算的3種能量損耗，分別是本地計算消耗能量，飛行所需要能量與傳輸數(shù)據(jù)消耗能量。

1）無人機本地計算消耗能量

假設(shè)無人機的CPU頻率是fc，那么執(zhí)行移動用戶MUk所輸入的l bit所需要的能量：

使得總能量消耗等于：

2）無人機飛行所需能量

3）無人機傳輸數(shù)據(jù)消耗能量

其中，g0表示在1 W的傳輸能量在1 m的距離內(nèi)最終的收益。傳輸信道模型假定為加性高斯白噪，能量譜密為N0。

對于非正交方式，上行傳輸能量消耗如下：

下行傳輸能量如下：

1.2 建立無人機信息傳輸模型

本文考慮兩種信道傳輸模型，一種是正交方式，另一種是非正交方式。使用頻分復(fù)用(FDD)的方式，并且分配的帶寬為B。在5G網(wǎng)絡(luò)中，非正交方式，也稱NOMA，被更為廣泛的使用。如圖1所示，對于正交傳輸方式，在每個時間間隔之中又等分成K個時隙。在第k個時隙中，無人機僅與第k個移動用戶進行數(shù)據(jù)交互。本文中K=3。對于移動用戶MUk，其中k∈K，輸入待處理信息為Ikbit，處理1 bit需要的CPU轉(zhuǎn)數(shù)為Ck，經(jīng)過處理后輸出信息為Okbit。

對于非正交方式，在每一個時間間隔之中，無人機與全部移動用戶進行通信。對于其中的每一個移動用戶，在與無人機進行數(shù)據(jù)交換時，會受到其他數(shù)據(jù)的干擾，這使得增益減少。可以在上一部分非正交方式傳輸能量的表達式中發(fā)現(xiàn)，每一移動用戶傳輸能量損耗與其他移動用戶能量有關(guān)。

1.3 建立無人機通信計算優(yōu)化的模型

圖1 正交傳輸方式與非正交方式兩種模型Fig.1 Orthogonal and non-orthogonal transmission modes

無人機云計算模型如圖2所示，包含地面上的移動用戶，飛行的無人機，以及無人機與移動用戶進行的雙邊通信。

圖2 無人機云計算模型11/5000Fig.2 UAV cloud computing model

1.4 無人機通信云計算路徑與比特分配優(yōu)化方案

無人機云計算路徑與比特分配優(yōu)化方案是在一定邊界條件下，比如無人機飛行能力（包括距離、速度等），無人機數(shù)據(jù)傳輸能力等一系列條件下，通過優(yōu)化無人機飛行軌跡與傳輸數(shù)據(jù)分配，以得到最優(yōu)化。

1）對飛行速度限制的優(yōu)化

由于無人機飛行技術(shù)的限制，無人機飛行速度是有限制的。所以在優(yōu)化無人機軌跡的同時，要考慮相關(guān)速度限制。顯然，無人機在第n個時間間隔內(nèi)的飛行速度為：

由上述無人機飛行速度限制，可以得到如下表達式：

對于無人機總體的飛行，需要在指定的時間T內(nèi)完成指定路程，所以得到如下對于速度的限制：

2）對無人機數(shù)據(jù)傳輸能力限制的優(yōu)化

根據(jù)上述算得無人機CPU頻率，以及在1.1節(jié)中已經(jīng)推得的云計算計算能量的表達式，可以繼續(xù)推導(dǎo)得到計算卸載優(yōu)化所需的計算能量為：

其中，上式中l(wèi)n={lk,n}(k∈K)，代表在第n個時間間隔內(nèi)K個移動用戶需要無人機處理的全部數(shù)據(jù)。在本文中，為簡單起見，只假設(shè)3個移動用戶。無人機總體的能量限制比較簡介，只需要在全部N個時間間隔內(nèi)，無人機飛行能量，無人機傳輸信息能量，與無人機本地計算能量的總和小于等于總的能量限制。于是可以得到如下優(yōu)化表達式：

其中，ε代表無人機飛行過程中可得到的總能量。以上為無人機云計算能量限制。

3）對無人機傳輸信息分配限制的優(yōu)化

對于無人機傳輸信息的分配，也需要滿足一系列限制條件。比如在任一時刻，無人機接收到的數(shù)據(jù)要大于等于無人機本地計算的數(shù)據(jù)。原因是無人機云計算本地處理的數(shù)據(jù)來自于移動用戶向無人機發(fā)送的數(shù)據(jù)。如果前者大于后者，將會與真實情況矛盾。

對于無人機處理完的數(shù)據(jù)限制也需要優(yōu)化。無人機發(fā)送給地面移動用戶的數(shù)據(jù)要小于等于無人機CPU計算處理之后的數(shù)據(jù)。同時，幾個待優(yōu)化的傳輸數(shù)據(jù)變量也要滿足限制條件。簡而言之，方案優(yōu)化后，在第n+1個時間間隔無人機云計算本地計算的總數(shù)據(jù)小于等于在第n個時間間隔以及之前無人機從移動用戶接收到的總數(shù)據(jù)。在第n+2個時間間隔之中無人機向移動用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)要不大于n+1時間間隔之前無人機已經(jīng)計算處理好的數(shù)據(jù)。

2 基于正交方式優(yōu)化方案的實現(xiàn)

1）for v in 0:iteration；其中iteration為設(shè)定的迭代次數(shù)；

2）If z(v)是原優(yōu)化問題最優(yōu)解，break；

介紹的步長函數(shù)；

5）v=v+1

以上為程序的簡要結(jié)構(gòu)。

在偽代碼的第三步中，涉及到轉(zhuǎn)換后的凸優(yōu)化問題。該問題是根據(jù)原始模型轉(zhuǎn)換而來。待優(yōu)化問題如下：

新的邊界條件如下：

3 仿真結(jié)果及性能分析

3.1 基于正交傳輸?shù)臒o人機云計算方案仿真結(jié)果分析

使用MATLAB仿真時，設(shè)置的數(shù)據(jù)長度為L=104，Q/N0=15.75 dB情況下的誤比特率如圖3所示。

圖3 Q/N0=15.75 dB情況下的誤比特率Fig.3 Bit error rates for Q/N0=15.75 dB

3.2 未進行優(yōu)化的無人機計算方案仿真

再將仿真曲線與LDPC方案的曲線相比較，如圖5所示。

從圖5可以看出，為了達到BER低于10-5的要求，TCM-DPC方案比LDPC方案的發(fā)送功率小于12 dB。

圖4 Q/N0=19.06 dB情況下的誤比特率Fig.4 A comparison between the bit error rates of two schemes for Q/N0=19.06 dB

圖5 Q/N0=19.06 dB情況下兩種方案的誤比特率比較Fig.5 A comparison between the bit error rates of two schemes for Q/N0=19.06 dB

4 結(jié)論

主要研究鐵路應(yīng)用無人機云計算卸載優(yōu)化具體方案，給出無人機云計算卸載優(yōu)化方案相關(guān)模型和仿真。本文對無人機計算卸載優(yōu)化方案進行建模，明確了待優(yōu)化變量，包括無人機飛行軌跡、無人機傳輸數(shù)據(jù)分配等，關(guān)于鐵路應(yīng)用無人機計算卸載的優(yōu)化方案的仿真是基于正交的信息傳輸方式。因為考慮程序的運行速度以及性能，本次的仿真代碼迭代次數(shù)有限，導(dǎo)致優(yōu)化方案的精度有限，具體的優(yōu)化結(jié)果有待進一步研究與具體實現(xiàn)。不過，鐵路用無人機云計算的研究可繼續(xù)深化，發(fā)展前景廣闊。